В начале XX в были обнаружены две группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия
Скачать 303.55 Kb.
|
| ВВЕДЕНИЕ Предмет квантовой физики В начале XX в. были обнаружены две группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света ЁC дуализмом света, вторая ЁC с невозможностью объяснить на основе классических представлений существование устойчивых атомов, а также их оптические спектры. Впервые квантовые представления были введены в 1900 г. Планком в работе, посвященной теории теплового излучения тел. К тому времени классическая электродинамика не могла объяснить и построить правильную теорию теплового излучения. Планк разрешил это противоречие и получил результат, прекрасно согласующийся с опытом. При этом он предположил, что свет испускается не непрерывно, а определенными дискретными порциями энергии ЁC квантами. Развивая идею Планка Альберт Эйнштейн при создании теории фотоэффекта предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, т.е. дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций ЁC световых квантов, названных позднее фотонами. Дальнейшее доказательство корпускулярного характера света было получено в 1922 г. Комптоном, показавшим экспериментально, что при рассеянии рентгеновских лучей свободными электронами происходит изменение их частоты в соответствии с законами упругого столкновения двух частиц ЁC фотона и электрона. Тем самым было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися в интерференции, дифракции и поляризации) свет обладает и корпускулярными свойствами. В этом состоит дуализм света ЁC корпускулярно-волновая природа света. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, пытаясь объяснить условия квантования атомных орбит. Согласно де Бройлю, каждой частице, независимо от природы, следует поставить в соответствие волну. По этой гипотезе не только фотоны, но и частицы (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц. В 1927 г. Дэвиссон и Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов. Позднее волновые свойства были обнаружены и у других частиц ЁC справедливость гипотезы де Бройля была доказана экспериментально. В 1926 г. Шредингер предложил уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях. Волновое уравнение Шрёдингера является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. В 1928 г. Дирак сформулировал релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле. Уравнение Дирака стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики. Используя гипотезу Планка, в 1907 г. Эйнштейном опубликована работа, посвященная теории теплоёмкости твердых тел. Теория Эйнштейна, уточненная Дебаем, Борном и Карманом, сыграла выдающуюся роль в развитии теории твердых тел. В 1913 г. Бор применил идею квантования энергии к планетарной модели строения атома, которая вытекала из результатов опытов Резерфорда. Бор для объяснения устойчивости атомов предположил, что излучение энергии электроном в атоме подчиняется квантовым законам, т.е. происходит дискретными порциями. Он постулировал, что из всех орбит, допускаемых ньютоновской механикой, для движения электрона в электрическом поле атомного ядра, реально осуществляются лишь те, которые удовлетворяют определенным условиям квантования. Им отвечают определённые уровни энергии. Существование дискретных уровней энергии в атомах было непосредственно установлено в опытах Франка и Герца в 1913-1914 г.г. В 1927 г. в работе Гейзенберга было сформулировано соотношение неопределённостей ЁC важнейшее соотношение, освещающее физический смысл уравнений квантовой физики, её связь с классической наукой и ряд других принципиальных вопросов. Анализ спектров привел Уленбека и Гаудсмита к представлению о том, что электрону кроме заряда и массы должна быть приписана ещё одна внутренняя характеристика ЁC спин. Важную роль сыграл открытый в 1925 г. Паули принцип запрета, имеющий фундаментальное значение в теории атомов, молекул, ядер, твердых тел. Таким образом, квантовая физика ЁC раздел физики, изучающий способы описания и законы поведения физических систем, для которых величины, характеризующие систему оказываются сравнимыми с постоянной Планка h (h=6,62.10-34Дж.с). Этому условию удовлетворяет, как правило, движение микрочастиц (электронов в атоме, атомов в молекулах, нуклонов в ядрах и т.п.). Однако в некоторых случаях специфическими квантовыми свойствами обладают макроскопические системы как целое. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ На основании волновой теории света удалось объяснить такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация. Казалось, что все явления света можно объяснить на основе волновой теории света. Однако ряд экспериментальных фактов объяснить не удалось. Фотоэлектрический эффект В 1887 г. Г.Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника ультрафиолетовыми лучами разряд происходит при меньшем напряжении между электродами, чем в отсутствии этого освещения. Т.е. ультрафиолетовый свет облегчает проскакивание искры между катодом и анодом. Это наблюдение положило начало экспериментальным работам Гальвакса, Столетова, Ленарда и др., в которых была выяснена физическая сущность наблюдаемого явления и установлены его основные количественные характеристики. Само явление получило название внешнего фотоэффекта. СХЕМА ОПЫТА СТОЛЕТОВА (1888-1889 г.г.) S ЁC свет, G ЁC гальванометр, D ЁC цинковая пластина, C ЁC медная сетка. При освещении отрицательно заряженной пластинки D в цепи возникал электрический ток, названный фототоком. Таким образом, Столетов показал, что испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак и обнаружил, что сила фототока возрастает с увеличением освещенности пластины. В 1899 г. Ленард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых под действием света частиц, установили, что эти частицы являются электронами. Ленард и другие, усовершенствовав прибор Столетова и поместив электроды в воздушный баллон, сняли вольтамперную характеристику (зависимость фототока I от напряжения U между электродами). П Кв ЁC кварцевое окошко, К ЁC катод, А ЁC анод, П ЁC потенциометр для изменения напряжения между катодом и анодом.V ЁC вольтметр, G ЁC гальванометр для измерения фототока. Iн ЁC фототок насыщения, который определяет количество электронов, испускаемых катодом в единицу времени: Iн = |e|n. При U = 0 фототок определяется теми электронами, скорость которых достаточна, чтобы долететь до анода «самостоятельно». Для обращения силы тока в нуль нужно приложить задерживающее напряжение Uз. При этом ни одному электрону, вылетевшему с катода, не удаётся преодолеть задерживающее поле и достигнуть анода: µ §, где е ЁC заряд электрона (e = ЁC 1,6.10- 19 Кл). Оказалось, что задерживающая разность потенциалов не зависит от энергетической освещенности, а зависит от частоты падающего света: µ § Между энергетической освещенностью и силой тока насыщения имеется прямо пропорциональная зависимость: µ §. Опытным путем были установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта: 1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. 2. Существует граничная минимальная частота света µ §0, ниже которой для данного материала катода фотоэффект отсутствует, независимо от энергетической освещенности и продолжительности облучения катода. 3. При фиксированной частоте излучения число электронов, выбитых из катода в единицу времени, прямо пропорционально энергетической освещенности катода. Первый и второй законы волновая теория света объяснить не могла: не понятно почему максимальная кинетическая энергия и скорость вылетающих электронов зависит от частоты света, а не от амплитуды колебания вектора напряженности электромагнитного поля волны и связанной с ней интенсивностью волны. В 1905 г. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается порциями ЁC квантами, какими он, по предположению Планка, испускается. Энергия кванта µ §, где µ §. µ §, ЁC постоянная Планкаµ §, µ §. Энергия кванта поглощается электроном целиком. Часть этой энергии (работа выхода Авых) затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Для электронов, находящихся не на поверхности, а в глубине часть энергии µ §/ может быть потеряна вследствие случайных столкновений в веществе. Остаток энергии образует кинетическую энергию Eк электрона, покинувшего вещество. Энергия Ек будет максимальной, если µ §=0. В этом случае: µ § ЁC формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Отсюда следует, что для возникновения фотоэффекта необходимо выполнение условия µ §, или: µ §, µ §. Соответственно для длины волны: µ §; µ §; µ §. Минимальная частота µ § или µ § и максимальная длина волны µ §, при которой протекает фотоэлектрический эффект, называется красной границей фотоэффекта. Число высвобождаемых электронов должно быть пропорционально числу падающих на поверхность квантов света. Световой поток Ф определяется количеством квантов света, падающих на поверхность в единицу времени. Поэтому µ §~µ §~µ §. C помощью мощного излучения лазера возможно наблюдение многофотонного фотоэффекта, при котором электрон получает энергию не от одного фотона, а от N фотонов: µ §, µ §. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов: 1. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом ЁC двухэлектродные приборы, в которых падающая на поверхность световая энергия при приложенном внешнем напряжении превращается в энергию электрического тока. 2. Большое распространение получили фотоэлектронные умножители (ФЭУ), в которых осуществляется очень большое усиление фототока. ФЭУ ЁC вакуумные приборы с одним фотокатодом и несколькими эммитерами ЁC электродами и анодом. Используется явление вторичной электронной эмиссии. В кристаллических полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта, наблюдается внутренний фотоэффект ЁC под действием облучения увеличивается электропроводность этих веществ за счет увеличения числа свободных носителей тока. Это явление называют фотопроводимостью. Полупроводниковые фотоэлементы с внутренним фотоэффектом или фотосопротивлением, обладают значительно большей чувствительностью, чем описанные вакуумные фотоэлементы. Наибольшее применение получили вентильные фотоэлементы. Вентильный фотоэффект ЁC возникновение ЭДС (электродвижущей силы) вследствие внутреннего фотоэффекта вблизи контакта между металлом и полупроводником или двумя полупроводниками p- и n- типа. Вентильные фотоэлементы используются при создании солнечных батарей. Фотоны Свет представляет собой сложное явление, сочетающее в себе свойства электромагнитной волны и свойства потока частиц. Такое сочетание называется корпускулярно-волновым дуализмом. Энергия фотона определяется частотой: µ § Импульс и энергия связаны друг с другом: µ §. Масса покоя фотона равна нулю m0=0. Поэтому µ §. Учитывая µ § получаем для импульса фотона: µ §, где µ § ЁC волновое число. Импульс фотона совпадает с направлением распространения волны: µ §; 1. Масса покоя фотона равна нулю. 2. Фотон всегда движется со скоростью с ЁC скорость света (в вакууме с = 3.108 м/с). В каком соотношении находятся волновая и корпускулярная картина? Ответ можно получить, рассмотрев с обеих точек зрения освещенность поверхности. Согласно волновым представлениям освещенность пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. С корпускулярной точки зрения освещенность пропорциональна плотности потока фотонов. Следовательно: квадрат амплитуды световой волны пропорционален плотности потока фотонов. Квадрат амплитуды волны определяет вероятность того, что фотон попадает в данную точку поверхности. Из сказанного вытекает, что распределение фотонов по поверхности, на которую падает свет, должно иметь статистический характер. Давление света Рассмотрим световое давление, которое оказывает на поверхность тел поток монохроматического излучения, падающего перпендикулярно к поверхности. Существование светового давления при рассмотрении его с фотонной точки зрения вынуждает учесть импульс каждого фотона. В специальной теории относительности Эйнштейном получено соотношение, связывающее энергию и массу: µ §. Фотон с энергией µ §обладает массой µ §. Его импульс равен µ §. Пусть коэффициент отражения света от поверхности тела равен R. Если в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает n фотонов, то Rn фотонов отражается, а (1-R)n ЁC поглощается. Каждый отраженный фотон передает стенке импульс µ §, а каждый поглощенный фотон передает стенке свой импульс µ §. Давление света на поверхность, равное импульсу передают поверхности за 1 сек все n фотонов, выражается следующей формулой: µ § или µ §, где µ § ЁC энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности за единицу времени. П.Н.Лебедев впервые экспериментально обнаружил и измерил давление света на твердые тела в 1910 г. Прибор П.Н.Лебедева представлял собой весьма чувствительные крутильные весы, подвижная система которых состояла из легкого каркаса с укрепленными на нем тонкими кружками, расположенными симметрично относительно оси подвеса. Поверхность кружков с одной стороны должна быть зачернена. Крылышки освещались светом от вольтовой дуги. Величина светового давления на кружки определялась по углу закручивания нити подвеса. Исключив радиометрический и конвекционный эффекты, помещая прибор в вакуумный стеклянный баллон П.Н.Лебедев подтвердил справедливость теоретической формулы. Световое давление солнечного света оказалось в 1010 раз меньше атмосферного давления. Рентгеновское излучение В 1895 г. немецкий физик Рентген обнаружил, что при бомбардировке стекла и металлов быстрыми электронами возникает излучение, обладающее большой проникающей способностью. Рентген назвал излучение X-лучами. Впоследствии оно получило название рентгеновских лучей. Длина волн этого электромагнитного излучения находится в пределах от 10-5 нм до 102 нм. На схеме К ЁC нагревательный катод; А ЁC анод (или антикатод). За счет напряжения U между К и А электроны разгоняются до энергии µ §. Почти вся энергия электронов выделяется на антикатоде в виде теплоты и лишь 1-3% переходит в излучение. Попав в вещество антикатода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волны ЁC тормозное излучение. При достаточно больших скоростях падающих электронов они возбуждают внутренние оболочки атомов антикатода ЁC возникает характеристическое излучение. Согласно классической теории при торможении электрона должны возникать волны всех длин ЁC от нуля до бесконечности, однако экспериментальные измерения зависимости мощности рентгеновского излучения от длины волны показали, что кривая зависимость не выходит из начала координат, а обрывается при µ §. Экспериментально установлено, чтоµ §. Существование такой границы подтверждает представления по существованию фотонов: величина энергии кванта не может превысить энергию электрона µ §, т.е. предельное значение частоты µ §, а следовательно µ §. Приравнивая µ § получаем: µ §. Эффект Комптона Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, носящем название эффекта Комптона. PB ЁC рассеивающее вещество. В рассеянных лучах наряду с излучением µ § содержатся лучи большей длины волны µ §. Разность µ § зависит только от угла µ §, но не зависит от µ §и природы рассеивающего вещества. Особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов со свободными электронами. |
Похожие:
 | По результатам исследования испытуемые разделились на три группы по каждой из шкал по степени лидерской активности. Между группами... |  | Представлены материалы конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики», прошедшей... |
| Арендатору либо должны были быть обнаружены Арендатором во время осмотра имущества и проверки его исправности при передаче имущества... | | В начале игры участники собираются в заинтересованные группы по жетонам одного цвета. В ходе игры они переходят в смешанные группы,... |
| Социальная структура общества – это внутреннее устройство общества или социальной группы, упорядоченное определенными нормами взаимодействия... | | В конце XX начале XXI в в нашей стране дал знать о себе ряд негативных явлений: изменился социальный состав общества, резко сократились... |
| Методические рекомендации при организации профилактики асоциальных явлений в клубных учреждениях | | ... |
| При этом в журнале учитывается возможность деления группы на две подгруппы (с учётом определённых условий) на занятиях по физической... | | Ууд: самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели; постановка и формулирование проблемы, самостоятельное создание... |